一种提高泥岩钻进速度的钻井液及其制备方法和应用

摘要

本发明涉及一种提高泥岩钻进速度的钻井液，由以下以重量份数计的组分制成：水1000份、膨润土10-30份、纯碱0.5-1.5份、流型调节剂2-20份、快速钻进剂2-15份、聚醚胺2-8份、聚合物包被剂1-6份、抗盐抗温降滤失剂2-15份、磺化酚醛树脂20-35份以及任选地封堵剂15-35份。本发明的提速钻井液具有优异的抗盐抗钙抗劣土能力，可有效提高机械钻速。本发明还涉及所述钻井液的制备方法，包括以下步骤：在水中加入膨润土和纯碱，混匀后静置养护，再加入聚合物流型调节剂、聚合物包被剂、快速钻进剂、聚醚胺、抗盐抗温降滤失剂、磺化酚醛树脂以及封堵剂，混匀后静置备用。本发明还涉及所述提速钻井液的应用。

说明书

技术领域

本发明涉及钻井技术领域，特别涉及一种提高泥岩钻进速度的钻井液。本发明还涉及所述提速钻井液的制备方法和应用。

背景技术

在油气勘探开发过程中，随着井深不断增加，井下情况越来越复杂，经常钻遇塑性极强的泥岩地层，其极易吸水膨胀、缩径、造浆，导致缩径、钻头泥包和阻卡事故频发，严重影响井下安全钻进和开发进度。钻井速度是影响勘探开发速度的关键因素，提高钻井速度，能够减少钻机资源的占用，提高钻井效益，大幅降低钻井成本，缩短井壁浸泡时间，防止地层发生周期性坍塌，有效解决井壁失稳等复杂问题，并且能够减少浸泡油气层时间，利于发现和保护油气层，大幅度提高采收率。提高钻井速度是深井超深井钻井过程中迫切需要解决的问题，因此对钻井液要求也越来越高。

随着钻井液技术的发展，已经研发出许多不同形式、不同特点的提速钻井液体系，钻井液以流体介质和体系的组成特点分类可被分为：水基钻井液、聚合醇钻井液、油基钻井液和合成基钻井液，在现场应用过程中收到了不错的效果，但是都存在着一些缺点。比如，水基钻井液和聚合醇钻井液不能预防钻头泥包，清洁性能差，钻进速度得不到明显提高；油基钻井液易污染环境，配置难度大，成本高；合成基钻井液的成本很高。

因此，开发一种强抑制性和强润滑清洁性的提速钻井液，抑制泥岩的水化分散、加强井壁稳定、缩短泥岩段的钻井时的钻头泥包和阻卡、减少处理井下复杂情况的时间，这对于降低钻井综合成本、提高钻井效率、加快勘探开发速度均具有极其重要的社会和经济意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种提高泥岩钻进速度的钻井液及其制备方法和应用，所述钻井液具有优异的润滑性、抑制性、清洁性和高温稳定性，抗盐抗钙抗劣土能力强，可有效提高机械钻速，对于缩短钻井周期有着重要的意义。

根据本发明，所述提速钻井液包括以下重量份数计的组分：

在本发明的优选实施方式中，所述提速钻井液包括以下重量份数计的组分：

根据本发明，膨润土优选为钠膨润土。以1000重量份数水计，所述膨润土含量更优选18-24份。

纯碱优选为无水碳酸钠。以1000重量份数水计，所述纯碱含量更优选0.7-0.9份。

根据本发明，聚合物流型调节剂优选包括低粘聚阴离子纤维素、高粘聚阴离子纤维素、低粘羧甲基纤维素和高粘羧甲基纤维素中的至少一种。以1000重量份数水计，所述聚合物流型调节剂含量更优选8-12份。粘度标准参照石油天然气行业标准SY5093-92，即2％水溶液粘度小于200mPa·S为低粘，2％水溶液粘度大于1500mPa·S为高粘，(检测条件：25℃，Emila粘度计)。

在本发明的实施方式中，快速钻进剂优选包括多元醇酯中的至少一种，更优选包括脂肪酸多元醇酯中的至少一种，最优选为由C₃-C₆多元醇和葵花籽油制备得到的处理剂RE。以1000重量份数水计，所述快速钻进剂含量更优选7-9份。在本发明中，快速钻进剂能够增加破岩效果，并能发挥提高润滑和防止钻头泥包的作用。

所述处理剂RE的制备方法为：将质量比为1:(1.2-5.6)的C₃-C₆多元醇和葵花籽油置于带有温度计、搅拌桨、回流冷凝器的反应釜中，搅拌加热至40℃-60℃，任选地加入与有机醇质量比为1:(0.12-0.18):(0.02-0.04)的渗透剂和固体酸催化剂，恒温搅拌30min-50min，再升温至120℃-140℃，反应5h-8h。期间始终保持氮气吹扫，用氢氧化钠溶液调整pH值，保持pH值在7-8之间。

所述渗透剂优选包括表面活性剂中的至少一种，更优选阴离子表面活性剂中的至少一种，最优选包括阴离子聚丙烯酰胺、烷基苯磺酸盐和脂肪醇硫酸酯盐中的至少一种。

所述固体酸催化剂优选包括金属盐，更优选磷酸盐和硫酸盐中的至少一种。

在本发明的一些实施方式中，聚醚胺优选包括分子结构式为H₂N-R-[OR’]_x-NH₂的胺基聚合物中的至少一种，其中，R和R’独立地为C₁-C₅的烃基，x＝1-6。以1000重量份数水计，所述聚醚胺含量更优选3.5-4.5份。

在本发明的一些实施例中，聚醚胺优选包括SDPA、NH-1和D230中的至少一种。

在本发明中，聚合物包被剂优选包括部分水解聚丙烯酰胺(PHPA)，优选所述部分水解聚丙烯酰胺的水解度为30-70％，分子量在300-600万之间。以1000重量份数水计，所述聚合物包被剂含量更优选2.5-3.5份。

根据本发明，抗盐抗温降滤失剂优选包括磺酸盐共聚物降滤失剂中的至少一种，更优选为通过中国专利201110300019.4的方法制备得到的耐温抗盐降滤失剂。以1000重量份数水计，所述抗盐抗温降滤失剂含量更优选6-8.5份。在本发明中，抗盐抗温降滤失剂主要用于提高钻井液体系的抗盐能力和抗高温能力，能够使钻井液体系满足饱和单价盐和200℃的使用环境，同时不会增加体系粘度。

在本发明中，磺化酚醛树脂优选为SMP-1和/或SMP-2树脂。以1000重量份数水计，所述磺化酚醛树脂含量更优选26.5-29份。

在本发明中，封堵剂优选为沥青和/或屏蔽暂堵剂FD-1。以1000重量份数水计，所述封堵剂含量更优选23-27.5份。

本发明涉及所述提速钻井液的制备方法，包括以下步骤：在水中加入膨润土和纯碱，混匀后静置养护，再加入聚合物流型调节剂、聚合物包被剂、快速钻进剂、聚醚胺、抗盐抗温降滤失剂、磺化酚醛树脂以及封堵剂，混匀后静置备用。

根据本发明，在加入膨润土和纯碱后，优选搅拌3-6小时使其充分混匀，更优选4-5小时。静置养护的时间优选为24-96小时，更优选36-48小时。经过静置养护，提高了膨润土浆的吸附能力，使其与后续原料更好地结合。

优选在搅拌的条件下加入聚合物流型调节剂、聚合物包被剂、快速钻进剂、聚醚胺、抗盐抗温降滤失剂、磺化酚醛树脂以及封堵剂，并继续搅拌直至混匀后静置备用。

所述制备方法中，先分别添加聚合物流型调节剂和聚合物包被剂，对于快速钻进剂、聚醚胺、抗盐抗温降滤失剂、磺化酚醛树脂以及封堵剂的先后顺序没有特别限制。

在本发明优选的实施方案中，所述制备方法包括以下步骤：在1000份水中加入10-30份膨润土和0.5-1.5份纯碱，搅拌4小时后静置养护24小时，然后边搅拌边加入2-20份聚合物流型调节剂、2-15份快速钻进剂、2-8份聚醚胺、1-6份聚合物包被剂、2-15份抗盐抗温降滤失剂、20-35份磺化酚醛树脂以及15-35份封堵剂，继续搅拌20分钟后静置备用。

在本发明更优选的实施方案中，所述制备方法包括以下步骤：在1000份水中加入15-25份膨润土和0.6-1份纯碱，搅拌4小时后养护24小时，然后边搅拌边加入5-15份聚合物流型调节剂、2-4份聚合物包被剂5-10份快速钻进剂、3-5份聚醚胺、、5-10份抗盐抗温降滤失剂、25-30份磺化酚醛树脂以及20-30份封堵剂，继续搅拌20分钟后静置备用。

根据本发明，所述制备方法在150℃以下实施，优选室温。

本发明还涉及一种钻井方法，包括将所述提速钻井液作为提速钻井液体系进行钻井。

本发明提供的提速钻井液润滑性、抑制性和清洁性强，可提高钻井施工中的钻进速度，避免泥岩的吸水膨胀与分散，降低胶岩塑性，降低摩阻，提高钻井液对粘土和钻屑抑制性，防止钻头泥包，具有较强的抗盐抗钙能力和高温稳定性，减少储层伤害，有利于录井作业。

附图说明

图1显示了本发明的提速钻井液进行页岩膨胀率实验的结果。

具体实施方式

下面将通过具体实施例对本发明做进一步地说明，但应理解，本发明的范围并不限于此。

实施例1

在1000份(以下均为重量份数)水中加入25份膨润土和1份纯碱，搅拌4小时后静置养护24小时，然后边搅拌边加入5份低粘聚阴离子纤维素、2份水解度为30％、分子量为300万的PHPA、5份处理剂RE、3份SDPA、5份耐温抗盐降滤失剂、25份SMP-1树脂以及20份沥青，继续搅拌20分钟后静置备用。

实施例2

在1000份水中加入25份膨润土和1份纯碱，搅拌4小时后静置养护24小时，然后边搅拌边加入15份高粘聚阴离子纤维素、4份水解度为40％、分子量为500万的PHPA、10份处理剂RE、4份D230、10份耐温抗盐降滤失剂、30份SMP-2树脂以及20份屏蔽暂堵剂FD-1，继续搅拌20分钟后静置备用。

实施例3

在1000份水中加入10份膨润土和0.5份纯碱，搅拌4小时后静置养护24小时，然后边搅拌边加入2份低粘羧甲基纤维素、2份水解度为70％、分子量为600万的PHPA、5份处理剂RE、2份NH-1、5份耐温抗盐降滤失剂、20份SMP-1树脂以及20份沥青，继续搅拌20分钟后静置备用。

实施例4

在1000份水中加入20份膨润土和1.5份纯碱，搅拌4小时后静置养护24小时，然后边搅拌边加入10份高粘羧甲基纤维素、5份水解度为40％、分子量为500万的PHPA、8份处理剂RE、6份SDPA、10份耐温抗盐降滤失剂、30份SMP-1树脂以及30份屏蔽暂堵剂FD-1，继续搅拌20分钟后静置备用。

实施例5

在1000份水中加入30份膨润土和1.5份纯碱，搅拌4小时后静置养护24小时，然后边搅拌边加入20份低粘聚阴离子纤维素、6份水解度为30％、分子量为300万的PHPA、15份处理剂RE、8份SDPA、15份耐温抗盐降滤失剂、35份SMP-2树脂以及35份沥青，继续搅拌20分钟后静置备用。

除本发明列出的实验条件外，实施例6-11和对比例1-8中测试实验的条件均为本领域常用的条件。根据需要模拟的地层温度设计老化温度，标准老化时间为16h。

实施例6

取金1-2井2186.0m处泥岩岩心制得1寸待测岩芯样品，浸泡于实施例1提供的提速钻井液中48小时，比较岩心膨胀率的变化情况，实验结果见图1。

对比例1

取金1-2井2186.0m处泥岩岩心制得1寸待测岩芯样品，浸泡于水中48小时，比较岩心膨胀率的变化情况，实验结果见图1。

对比例2

取金1-2井2186.0m处泥岩岩心制得1寸待测岩芯样品，浸泡于聚磺钻井液(取自金1-2井转化提速钻井液体系之前的聚磺钻井液体系，密度为1.22g/cm³)中48小时，比较岩心膨胀率的变化情况，实验结果见图1。

从图1可看出，水作用在泥岩岩心48小时期间，岩心的膨胀率超过了139％；聚磺钻井液在泥岩岩心48小时期间，岩心的膨胀率超过了55％；而本发明的提速钻井液作用在泥岩岩心的48小时期间，岩心的膨胀率最大未超过9.5％。

由此可知，本发明的提速钻井液作用于泥岩岩心时，能够有效避免泥岩的吸水膨胀与分散，降低摩阻，防止钻头泥包，进而提高钻井施工中的钻进速度。

实施例7

将实施例1提供的提速钻井液在常温和150℃老化16小时，测试其极压润滑系数及滚动回收率，实验结果见表1。

对比例3

将聚磺钻井液(取自金1-2井转化提速钻井液体系之前的聚磺钻井液体系)在常温和150℃老化16小时，测试其极压润滑系数及滚动回收率，实验结果见表1。

表1

从表1可以看出，本发明的提速钻井液，其极压润滑系数达0.086-0.093，岩屑滚动回收率可以达到90.2％-92.3％，抗温性能达150℃；而聚磺钻井液的极压润滑系数为0.173-0.175，岩屑滚动回收率仅为71.5％-72.6％。

由此可知，本发明的提速钻井液具有良好的热稳定性和润滑性，可以提高钻进速度，减少钻头的磨损，延长使用寿命，还可以防止泥包钻头，降低因钻具断裂和井壁失稳引发的事故。所述提速钻井液还具有良好的抑制能力，能够抑制泥岩水化膨胀并保持井壁稳定，提高钻井液悬浮和携带岩屑能力。

实施例8

将实施例1提供的提速钻井液分别加入质量分数为0、5％、10％和15％的劣土，搅拌20分钟，测试其在常温下和150℃老化16小时后的塑性粘度PV和动切力YP，实验结果见表2。

对比例4

将聚磺钻井液(取自金1-2井转化提速钻井液体系之前的聚磺钻井液体系)分别加入质量分数为0、5％、10％和15％的劣土，搅拌20分钟，测试其在常温下和150℃老化16小时后的塑性粘度PV和动切力YP，实验结果见表2。

表2

从表2可以看出，本发明的提速钻井液，当劣土含量达到15％时，体系的塑形粘度和动切力才有一个较大的变化，所以其抗劣土能力达到10％以上，而常规聚磺钻井液中劣土含量达到10％时，体系的塑形粘度和动切力已经有一个较大的增长，其抗劣土能力为5％左右。由此可知，本发明的提速钻井液具有良好的抗劣土能力。

实施例9

将实施例2提供的提速钻井液分别加入质量分数为0、5％、10％、15％、20％和饱和的NaCl，搅拌20分钟，测试其在常温下和150℃老化16小时后的测试其表观粘度AV、塑性粘度PV、动切力YP和钻井液API滤失量FL_API，实验结果见表3。

对比例5

将聚磺钻井液(取自金1-2井转化提速钻井液体系之前的聚磺钻井液体系)分别加入质量分数为0、5％、10％、15％、20％和饱和的NaCl，搅拌20分钟，测试其在常温下和150℃老化16小时后的测试其表观粘度AV、塑性粘度PV、动切力YP和钻井液API滤失量FL_API，实验结果见表3。

表3

从表3可以看出，本发明的提速钻井液，其抗盐能力最高达到饱和(即氯化钠的质量分数为26％)，而聚磺钻井液的抗盐能力为15％左右。由此可知，本发明的提速钻井液具有良好的抗盐能力。

实施例10

将实施例2提供的提速钻井液分别加入质量分数为0、0.5％、1.0％、1.5％和2.0％的CaCl₂，搅拌20分钟，在常温和150℃老化16小时后测试其表观粘度AV、塑性粘度PV、动切力YP和钻井液API滤失量FL_API，实验结果见表4。

对比例6

将聚磺钻井液(取自金1-2井转化提速钻井液体系之前的聚磺钻井液体系)分别加入质量分数为0、0.5％、1.0％、1.5％和2.0％的CaCl₂，搅拌20分钟，在常温和150℃老化16小时后测试其表观粘度AV、塑性粘度PV、动切力YP和钻井液API滤失量FL_API，实验结果见表4。

表4

从表4可以看出，本发明的提速钻井液，其抗钙能力最高达到2.0％，而常规聚磺钻井液中氯化钙加量达到1.5％时性能恶化严重，其抗钙能力仅为1.0％左右。由此可知，本发明的提速钻井液具有良好的抗钙能力。

实施例11

将实施例1-5提供的提速钻井液用于金1-2井2186m至3045m泥岩段的施工作业中，钻进深度859m，平均机械钻速为1.63h/m，施工期间钻井参数无异常，润滑性能良好，未出现钻头泥包和阻卡现象，井下安全，井下无复杂情况发生，大大提高了钻井效率。

对比例7

在金1-2井1467m至2186.0m的泥岩段，使用聚磺钻井液体系施工过程中，平均机械钻速为2.27h/m。

对比例8

将实施例1-5提供的提速钻井液应用于梨6井、梨601井和梨602井的泥岩段。梨6井使用常规聚磺钻井液体系时泥岩段平均机械钻速为1.51h/m，使用本发明的提速钻井液后相同泥岩段的平均机械钻速为1.46h/m)。梨601井使用常规聚磺钻井液体系时泥岩段平均机械钻速为1.83h/m，使用本发明的提速钻井液后相同泥岩段的平均机械钻速为1.42h/m。梨602井使用常规聚磺钻井液体系时泥岩段平均机械钻速为1.70h/m，使用本发明的提速钻井液后相同泥岩段的平均机械钻速为1.23h/m。

由实施例11和对比例7-8可知，在金1-2井中，本发明的提速钻井液与聚磺钻井液相比，机械钻速提高了28.2％；梨6井、梨601井和梨602井使用本发明提速钻井液后相同泥岩段的平均机械钻速分别提高了3.3％、22.4％和27.6％。由此可知，在油气实际开采中，使用本发明提速钻井液可以明显提高钻井速率，大幅提高钻井效率。

以上实施例和对比例说明，本发明的提速钻井液具有优异的润滑性、抑制性、清洁性和高温稳定性，抗盐抗钙抗劣土能力强，可有效提高机械钻速，防止钻头泥包和阻卡，减少储层伤害，无荧光，有利于录井作业，且施工工艺简单，加量低，有效降低钻井液成本，同时提高钻井液对粘土和钻屑抑制性，降低胶岩塑性，避免泥岩的吸水膨胀与分散，降低摩阻，保证井下安全，尤其适用于水敏性强、易分散易膨胀地层的钻进要求。在实际钻井施工作业中，可以保证胶泥岩地层的钻井施工安全，大幅缩短钻井周期，提高钻井效率，加快油气勘探开发进度，具有广阔的应用前景。

虽然本发明已作了详细描述，但对本领域技术人员来说，在本发明精神和范围内的修改将是显而易见的。此外，应当理解的是，本发明记载的各方面、不同具体实施方式的各部分、和列举的各种特征可被组合或全部或部分互换。在上述的各个具体实施方式中，那些参考另一个具体实施方式的实施方式可适当地与其它实施方式组合，这是将由本领域技术人员所能理解的。此外，本领域技术人员将会理解，前面的描述仅是示例的方式，并不旨在限制本发明。